工科高校基础化学实验课程体系重构与实践*

2023-01-16陈红祥邱江华

广州化工 2022年7期

唐艳, 陈红祥, 邱江华, 陈阳, 谢静

化学是一门以实验为基础的科学, 它的定律和学说都来源于实验。实验教学能培养学生观察现象、分析问题、解决问题的能力, 也能为学生正确认识事物及其变化规律提供平台, 更能以独特的方式和丰富的内涵在培养学生创新精神, 创造能力方面发挥重要的作用。随着现代科学技术的发展, 学科间的交叉、渗透使得化学学科呈现出与传统四大化学不同的新格局,故基本独立的无机、有机、分析、物化实验课程体系已无法满足现代化学实验教学的需要。在基础化学实验教学中, 如何提高同学们的学习兴趣和创新性, 国内许多高校对传统的化学实验课程体系进行了改革。王红等[1]将“翻转课堂” 模式应用在基础化学实验教学中。陶剑波等[2]尝试了以化学竞赛思维为引领, 对两个基础化学实验案例进行教学改革。宿艳等[3]探讨了以学生创新能力培养为主线, 按照课程建设统筹规划、课程内容相互衔接的建设思路重构基础化学实验课程体系。韩莉等[4]探讨了适应大类招生的化学实验教学课程新体系。卢爱党等[5]尝试了结合专业特色开展大学化学实验教学改革。然而各校的性质和特点不同, 实验教学模式也不完全相同, 还没有成熟经验可供借鉴。

1 传统基础化学实验课程体系的弊端

传统的化学实验课程附属于无机、分析、有机和物理化学等理论课, 有系统严谨、内容成熟、与课堂教学结合紧密等优点, 但也体现出了以下不足: 验证性实验过多, 设计性、研究性实验少; 孤立的单元性操作多, 综合性实验少; 经典实验多, 反映学科前沿性的内容少等。另外, 在具体安排上需要尽量保证与理论课程设置保持同步; 再者, 学生习惯按照实验讲义上的步骤, 循序渐进, 按部就班, 自主性差, 学习积极性不高。

针对传统基础化学实验课程体系的不足, 结合我校的特点, 我们构建了一套有利于培养学生的创新能力和综合素质的新工科高校基础化学实验课程体系。依据化学实验自身的特点设置的基础化学实验课程体系, 有助于学生实践能力的培养以及科学思维的训练, 从而提高教学质量。针对不同专业设置的基础化学实验课程体系, 可以满足我校化工、应化、冶金、材料等19 个专业基础化学实验教学的要求, 有助于学生对所学专业知识的理解与掌握, 实现理论和实践的紧密结合。新的课程体系具有基础性、趣味性、应用性和综合性, 有助于提高学生学习的积极主动性, 对培养学生的综合能力有着重要的意义。

2 基础化学实验课程体系的重构与实践

2.1 基础化学实验课程体系的模块设置

由于传统的化学实验课程体系注重于对理论课堂教学的补充, 而忽视了实验课程本身的规律和特点, 另外, 过分强调化学学科内部二级学科的特点和系统性, 而忽视了各二级学科之间相互交叉渗透的特点。针对以上问题, 我们对传统的无机化学实验、分析化学实验、有机化学实验和物理化学实验进行了重新整合, 各学科进行了交叉和融合。新的课程体系根据化学实验本身的特点进行了设置, 以化学实验技术为主线, 分为常用玻璃仪器和设备的基本操作、基本物理量的测定、物质的制备、分离提纯技术、定性分析、定量分析、物质性质和性能的测定等内容。新的实验体系强化了基础实验技能的训练, 优化了实验内容, 增加了综合性实验, 使学生在熟练掌握实验基本操作和基本技能的基础上通过查阅文献、设计实验、实施方案、分析结果、报告总结等过程中了解从事科学研究的一般方法, 培养学生的动手和综合能力。

2.2 适用于工科专业的基础化学实验课程设置

我校的基础化学实验课程面向化工、应化、生工、材料、冶金、环境和矿加等19 个工科专业, 化学实验教学的质量将直接影响到这些专业学生能力的培养。然而这些专业对化学实验技术的要求不尽相同, 实验技术的训练侧重面也不同, 因此我们结合了各专业的特色特点, 研究出基础化学实验课程所需的模块和模块内容。

三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的制备实验是一个综合性实验, 以铁(Ⅱ) 盐为起始原料, 通过氧化还原、沉淀、配位反应等多步转化, 最后制得三草酸合铁(Ⅲ)酸钾配合物。该制备实验涉及到称量、水浴加热、蒸发、浓缩、结晶、干燥、减压过滤等一系列化学基本操作, 实验制备出的产品三草酸合铁(Ⅲ)酸钾晶体为翠绿色大块晶体。由于实验过程中呈现多变的色彩, 此实验是历年以来最受学生欢迎的实验之一。

化工专业的培养目标旨在学生“较好地掌握化学基础知识、基本理论和基本技能, 具有创新意识和实践能力” 等, 我们在开展“三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的制备” 的实验项目时, 注重强化训练化工专业学生的基本知识、基本理论和基本技能方法。参与实验的学生一般都非常在意合成产品的产量和质量,教师会指导学生利用硫酸亚铁的溶解度曲线来确定最佳溶解温度, 从而获得尽可能多的产品。同时, 教师也会要求学生探索产品的质量和结晶过程的操作参数诸如结晶温度的关系。对化工专业的学生来说, 实验过程不仅帮助他们巩固和深化无机化学课程的理论知识, 掌握无机化学基础实验的原理、方法和操作技能, 还能提高他们运用课堂上的理论知识和方法来分析问题、解决实际问题的能力。

结合环境工程专业的特点, 我们在开设“三草酸合铁(Ⅲ)酸钾的制备” 实验时, 会倡导环境工程的学生在用尽可能少的试剂来进行实验, 降低污染程度和不必要的浪费。另一方面,让学生在实验的过程中将废液倒入废液桶。实验结束后, 我们会要求学生设计出与所做实验对应的“三废” 处理方案, 作为实验报告的一部分, 体现在实验报告的思考与创新部分。整个实验过程我们注重强化学生的环保意识和节约理念, 激发他们关注环境问题和解决环境问题的兴趣, 探究绿色化学实验的方法和途径, 提高学生的可持续发展意识。

根据不同专业的人才培养目标优化设计不同的实验内容,不仅实现了与专业实践的衔接和融合, 还能使学生学到更多和专业紧密结合的知识和分析方法。在基础化学实验教学工作中融入专业特色, 激发了学生的学习兴趣, 培养了学生的综合能力和专业能力。

2.3 基础化学实验内容的更新

传统的化学实验教学存在着验证性实验项目较多, 设计性、研究性实验少的弊端, 学生可以不用思考和分析, 只需要按讲义“照方抓药”, 就能完成实验。为了培养学生的积极主动性和动手能力, 我们尽量减少验证性实验, 取消陈旧实验,加强综合性实验, 这类实验内容选择了思考性强、联系实际、有助于提高学生分析问题、解决问题的实验。通过增加综合性实验的训练, 学生可以将书本知识、研究方法以及实验技巧等更好地融会贯通及应用, 更大程度激发学生的学习兴趣, 同时还可以拓宽学生的知识面, 加强学生综合运用化学知识和实验技能的能力, 培养学生养成良好的科学素质, 基本掌握化学研究的一般方法。

2.4 基础化学实验教材的编写

依据模块化设置的实验技术以及各专业对实验技术的要求, 基础化学实验教材的编写吸收了国内外教学研究成果和一线教师的实验教学工作经验, 在保证基础化学实验系统性和科学性的前提下, 选择了重要的、有代表性的基础化学实验, 同时兼顾了实验内容的趣味性、应用性及综合性等特点。在综合性实验中编排了探索性和开放性的问题, 给学生留下一定的思考空间, 自主探索实践, 培养学生的创新意识和创新能力。为了适应时代的发展和当前的科技发展, 教材增加了一些现代仪器的操作技术介绍, 便于学生了解先进的测试技术和测试方法, 体现教材内容的与时俱进, 以及基础化学实验课程的现代化发展情况。

2.5 基础化学实验教学方法的改革

传统基础化学实验教学的方式是填鸭式或者灌输式, 学生的热情不高。在新的基础化学实验课程体系中, 我们开展了启发式的教学方式, 把传统“照方抓药” 的实验教学模式转变为“学生为主体、教师为主导” 的模式。教师会要求学生提前查阅相关资料, 并按照实验指导书做好实验内容的预习。在实验教学过程中, 采取课堂提问的方式, 鼓励学生积极思考。学生通过课前预习, 发现实验可能存在的问题, 然后在实验课上有针对性地进行实验。同时, 学生在实验过程中相互交流、相互讨论, 解决预习过程中遇到的问题。这种教学模式为学生自觉学习提供了更广阔的天地, 对提高学生的实践能力, 最大限度调动学生的学习主动性, 培养学生的科研能力和创新思维能力起到了积极的作用。